资源简介

中小学教育资源及组卷应用平台
第5课《多种途径实现算法创新》教学设计
课题 多种途径实现算法创新 单元 第六单元 学科 信息科技 年级 五年级下
核心素养目标 信息意识：能够认识到算法在生活中的广泛存在，提高对算法相关信息的敏感度，主动发现生活中的算法现象。计算思维：能够结合在线社会情境分析所应用的算法，体验并主动尝试进行算法创新。数字化学习与创新：能够探索不同算法创新的途径，从而提高推荐的准确性，并能提出自己关于算法创新的简单想法。信息社会责任：能够理解算法对社会生活的积极影响，认识算法创新对科技强国的重大意义，树立坚持原始创新的意识。
教学重点 1、学会算法的创新组合。
教学难点 1、能够将算法创新融入生活当中。
教学过程
教学环节 教师活动 学生活动 设计意图
导入新课 板书课题。1、活动背景我发现很多新的网络应用不断应运而生。在线社会的创新离不开算法创新。“不积跬步，无以至千里”，算法创新需要坚持学习，善于应用创新方法。2、新知导入观看视频 学习新知引入，观看教学视频。 用提问的方式引入课题，增强课堂互动性。将学生的注意吸引到课堂。
讲授新课 新知讲解：一、算法组合形成创新随着信息科技的不断发展，各式各样的网络应用层出不穷。它们背后隐藏着什么算法呢？活动：探究最佳路径算法不管是步行、乘坐公共交通工具或者开车，地图导航系统(图6-2-1)正在成为人们生活中不可缺少的部分。通过它，我们可以提前了解路况、行程路线等信息。1.运行“计算两点之间的距离”程序，输入符合要求的数值，观察程序运行结果(图 6-2-2)。2.图6-2-3所示为地图导航系统的路径偏好参数。请选择你感兴趣的参数，说一说：导航算法是如何利用这些参数实现最佳路径的？导航算法会排除所有高速公路和快速路，只选择普通公路进行路径规划。在选择道路时，算法会考虑道路的路况、限速、交通信号等因素，确保用户能够安全、顺畅地行驶在普通公路上。地图导航系统涉及空间卫星、地面监控和用户接收等技术，应用了很多算法。例如，最佳路径是由地图导航系统计算出所有的路径距离以及时间等数据，然后根据用户选择的路径偏好推荐使用。虽然过程很复杂，但却是由若干个基础算法组合起来的。根据实际问题进行分解，并应用基础算法解决各个小问题，最后再进行整合，从而形成创新算法。地球导航系统（如GPS）通过卫星三角定位实现定位：太空中的多颗导航卫星持续发射带有精确时间和位置信息的信号，用户设备（如手机或导航仪）接收至少4颗卫星的信号后，通过计算信号传输的时间差，确定与各卫星的距离，再结合卫星的实时坐标，解算出用户在地球上的三维位置（经度、纬度、海拔）和时间。其核心是高精度原子钟和实时轨道数据的协同计算。小科提示物体的位置可以通过坐标来表示，例如点A(3，2)、点B(5，6)。在计算机程序中，利用两个点的坐标，能够计算它们之间的距离。用坐标表示物体的位置二、创意想法引发算法创新 除了利用基础算法组合创新算法外，还有什么方法能形成创新算法？活动：探究最佳路径算法随着互联网渗透到生活的方方面面，保障信息安全成为在线社会发展的重要先决条件。只要我们在网上使用信息服务，背后总会有加密/解密算法在运行。例如，进入各种数字应用时的登录信息往往会被加密，避免用户隐私泄密，从而保护用户信息安全。1.小智编写了一个加密程序，请你观察三次执行该程序时输入的数值以及程序运行后的输出结果(图6-2-4)，说一说加密程序的原理是什么？ 对于输入的三位数，将百位数字加1得到输出的百位数字，十位数字加2得到输出的十位数字，个位数字加3得到输出的个位数字。2.与同学交流：你还知道哪些信息加密的方法？对称加密、位移法、转置法、置换法、哈希函数。转置法：通过重新排列明文中的字符顺序来加密，不改变字符本身。例如，将明文按特定规则（如倒序、矩阵转置）打乱位置，形成密文。位移法（如凯撒密码）：将明文中的每个字符按固定位数移动（如字母表位移3位），生成密文。属于替换加密的简单形式，核心是统一偏移。置换法：用特定规则替换明文中的字符或片段（如字母A→D，B→E）。与位移法不同，替换规则可以是无序的（如基于密码表），而非固定位移。3.你能设计一种新的加密算法吗？解释你的设计原理。请给出一组原信息和加密后的信息，并邀请同学运行验证，观察验证结果是否符合你的加密算法原理。我的加密算法名称为：移位加密算法设计原理是：将原信息中的每个字符按照字母表顺序向后移动3位（如果是z则循环回到a），数字则保持不变。原信息是：hello 123加密后的信息是：khoor 123同学验证3次验证结果：□都符合加密原理。√□不全符合加密原理□都不符合加密原理。拓展阅读中国科学院院士王小云曾在半年时间内破解了由美国标准技术局颁布的MD5 和 SHA-1 的密码算法。这两套当时美国认为最安全的密码算法，如果以常规算法，即使调用军用超级计算机也要计算100万年才有可能破解！由她领头设计的中国第一个国产密码算法标准SM3，不仅为国家安全保驾护航,连我们日常生活中的银行卡、社保卡、ETC 收费卡、电卡、水卡等，也都在这套密码算法系统的保护之下。创意思考并通过不断迭代优化，有助于形成创新算法。创新算法不仅提升了各类数字应用的品质，使得人们的在线生活更美好，更是建设世界科技强国的重要基础。三、课堂练习完成教材19—21页相关课堂练习题。四、拓展延伸1、生物学与算法创新借鉴生物进化中的遗传、变异和自然选择原理，可以发展出遗传算法。在遗传算法中，通过模拟生物种群的进化过程，对问题的解进行编码（类似于生物的基因），然后通过选择、交叉和变异操作不断优化解的质量。例如，在优化复杂的工程设计问题时，遗传算法可以在庞大的设计空间中快速找到接近最优的解决方案，就像生物在漫长的进化过程中适应环境一样。2、物理学与算法创新物理中的能量最小化原理启发了一些优化算法。例如，模拟退火算法模拟了固体物质退火过程中的能量变化。在算法中，以一定的概率接受较差的解，随着“温度”（控制参数）的降低，逐渐收敛到全局最优解。这种算法在解决组合优化问题，如旅行商问题（TSP）时非常有效。通过将物理中的概念和过程映射到算法设计中，为解决复杂的计算问题提供了新的思路。3、数据驱动的算法改进随着大数据时代的到来，大量的数据为算法的创新和改进提供了丰富的素材。例如，在机器学习算法中，更多的数据可以让算法更好地学习数据中的模式和规律。以图像识别算法为例，海量的图像数据（如ImageNet数据集包含数百万张带标注的图像）被用于训练深度神经网络。通过对这些数据的学习，算法能够不断提高对图像内容的识别准确率，从最初只能识别简单的物体轮廓到现在能够精确识别各种复杂场景下的物体类别、位置等信息。4、大数据与算法的协同进化大数据不仅能改进现有的算法，还能催生新的算法类型。例如，流数据处理算法就是为了应对大数据中的实时数据流而产生的。在网络流量监测、金融交易实时分析等场景中，数据源源不断地产生，传统的批处理算法无法满足实时性要求。流数据处理算法可以在数据流动过程中进行快速分析和处理，提取有价值的信息，如异常检测、趋势预测等。五、小结与评价1、单元拓展我们已经理解了在线社会离不开算法应用，以及算法创新背后的原理请你应用所学的知识，完成下列任务。任务一：有一把两位数密码锁，但是小智忘记了设置的密码，你能在不损坏锁的情况下帮他打开密码锁吗？以小组为单位进行讨论。想一想：如果密码锁是三位数或四位数呢？对于两位数密码锁，可尝试暴力破解（00 - 99共100种组合，但耗时）、根据线索推测（如特殊日期等）或利用可能的漏洞。三位数密码锁有1000种组合，暴力破解更难，可缩小范围推测，如结合用途或相关编号。四位数密码锁有10000种组合，暴力破解不现实，应从逻辑线索（如用途相关数字）或设置者习惯（对称、有规律数字）等方面去尝试打开。任务二：你使用过智能音箱吗？以小组为单位，围绕智能音箱的某个功能(如“唤醒”等)，描述其工作过程。 智能音箱 任务三：创新一定离不开学习。尝试通过网络学习“智能机器人”的相关内容，准备一个现成的“智能擦窗机器人”的算法，在小组内交流。2、单元阅读平台算法治理制度的中国方案2021年12月，国家互联网信息办公室联合工业和信息化部、公安部、市场监督管理总局发布《互联网信息服务算法推荐管理规定》(以下简称《规定》)，并于2022年3月1日起施行。这是我国第一部以算法作为专门规制对象的部门规章，具有重要时代意义。《规定》中提出的生成合成类、个性化推送类、排序精选类、检索过滤类、调度决策类等算法，被各大平台广泛应用，已经成为平台收集和处理数据、推送信息、调配资源的核心力量。平台运行的技术逻辑是算法，平台商业价值和竞争优势的基础是算法，同时，给国家利益、社会公共利益和公民合法权益带来风险的也可能是算法。《规定》立足中国数字经济实践与产业特色，向世界提供了平台算法治理的中国方案，建构了具有中国特色的平台算法治理制度。《规定》为平台应用算法划定明确的法律界限，对保障信息内容安全、维护市场竞争秩序、保护公民权益等具有至关重要的作用。3、单元评价在本单元中，我们通过探究在线生活中的算法，感受到在线生活中算法应用及创新的重要性。在学习过程中，你有哪些收获呢？表现得怎么样？请对本单元学习做出评价。4、单元练习1、你认同下面哪些说法？(1)在线生活离不开算法的应用。(2)复杂算法是基础算法的优化及发展，基础算法的组合能够形成创新算法。(3)创新算法不仅能够使在线生活更美好，更能满足建设世界科技强国的需要。(4)创新意识可以以后再培养。答：(1) (2) (3) 2、说说你的发现与思考。请你选择一个在线社会中的算法实例，如智能家居、智慧物流，从分析算法设计、解决了什么生活问题、如何进行优化等方面分享你的思考。以智能家居温度控制系统为例，算法通过传感器采集温度等数据，采用反馈或模糊控制算法调节设备。它提升舒适度、节约能源。可从个性化定制（分析习惯调整温度曲线）、与其他设备协同（如联动窗帘通风）、预测性控制（结合天气和行为提前规划）等方面优化。5、学习评价请从在线社会背后有算法、算法可以创新及小组合作等方面，评价本单元的学习表现。答：本单元学习中，深刻认识到在线社会背后算法的重要性，算法无处不在，像智能家居、智慧物流等都依赖算法运行。在算法创新方面，了解到复杂算法源于基础算法的优化组合，创新算法能提升在线生活品质，满足科技强国需求。小组合作过程中，大家积极分享对算法实例的见解，共同探讨算法设计、解决的生活问题及优化方向，促进了对算法知识的理解，也提高了团队协作能力，整体学习效果良好。6、单元总结通过本单元的学习，我们发现在线社会与算法的关联，知道在线生活中的很多算法其实都是基础算法的发展与应用。算法创新可以在基础算法上进行优化实现，或者利用自己的创意想法设计新算法。 完成算法组合的创新。学习小科提示。完成探究最佳路径算法活动。学习拓展阅读。完成课堂练习。进行课外知识拓展。进行单元小结与评价。 引导学生进行算法组合创新，拓展创新思维，加深对知识的掌握。引导学生学习提示内容，增强对本课知识的理解。引导学生对算法路径进行优化探索，在学习过程中参与讨论，增强表达能力和创新思维。引导学生学习拓展知识，了解王小云院士在算法领域的成就，并以此为榜样。在课堂练习中强化所学知识内容。拓宽学生知识面。引导学生完成单元总结与评价，回顾本单元学习内容并巩固知识点。
课堂小结 多种途径实现算法创新1、进行新知引入2、学习算法组合创新3、完成课堂练习4、进行知识拓展5、完成单元总结内容 总结回顾 对本节课内容进行总结概括。
课后作业 1、请你选择一个生活中的算法实例，比如超市的自动收银系统或者手机里的音乐推荐功能。然后简单地描述一下这个算法可能是怎么工作的（比如自动收银系统是如何识别商品价格、计算总价的），并且说一说这个算法给我们的生活带来了哪些便利。 布置作业 拓展学生的学习能力
课堂板书 观看板书 强调教学重点内容。
21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
HYPERLINK "http://www.21cnjy.com/" 21世纪教育网(www.21cnjy.com)

展开更多......

收起↑